低温氧蒸汽流化床共气化处理塑料废弃物与生物质的实验研究与CFD模拟

针对塑料废弃物回收率低、降解慢的全球性难题，本研究创新性地采用低温（715–745°C）氧蒸汽流化床共气化技术处理PET/HDPE/LDPE/PP/PS与松木残渣混合物料。通过结合欧拉-欧拉CFD模型与包含13种化学反应（含焦油裂解）的1D动力学模型，首次系统评估了不同塑料的碳转化效率（57.98–78.20%），预测合成气组分误差<5%，为工业级低能耗塑料废弃物能源化提供了关键实验数据与建模方法。

　　

全球每年产生超过3.59亿吨塑料废弃物，其中70%未被有效收集，这些含有聚乙烯 terephthalate（PET）、高密度聚乙烯（HDPE）等聚合物材料最终通过填埋或露天焚烧威胁生态环境。传统高温（800–900°C）气化技术虽能转化塑料为合成气（syngas），但存在能耗高、CO₂
排放量大等问题。更棘手的是，塑料在进料系统中易熔融堵塞，且现有气化模型常忽略焦油裂解等关键反应，导致预测失真。

美国农业部国家食品与农业研究所支持的研究团队在《Waste Management》发表突破性成果，首次对715–745°C低温区间的氧蒸汽流化床共气化过程开展系统研究。通过将松木残渣与五种典型塑料（PET/HDPE/LDPE/PP/PS）混合，不仅解决了进料堵塞难题，还发现HDPE-生物质（50/50）组合在740°C时合成气产量最高达1.21 Nm³
/kg。更引人注目的是，团队开发的2D欧拉-欧拉模型整合了13种化学反应动力学（含6种氧化、5种还原和2种焦油裂解反应），使C₂
–C₃
、CH₄
等气体组分预测误差控制在5%以内，为工业放大提供了可靠工具。

关键技术包括：1）采用ANSYS Fluent 2024构建2D欧拉-欧拉多相流模型；2）基于遗传算法优化1D化学反应动力学参数；3）使用本地采购的松木残渣与市售塑料（PET来自饮料瓶、HDPE来自奶瓶等）制备混合物料；4）通过气相色谱分析合成气组分。

Feedstock characterization
原料分析显示LDPE因含18.11%碳酸钙填料导致灰分异常，其余塑料灰分均低于1%。生物质的疏松结构显著改善了塑料混合物的流动特性。

Conclusions
研究证实低温操作可降低28%氧耗，但PS共气化会产生71.84 g/kg焦油。模型成功预测不同塑料的碳转化效率梯度（PS最低57.98%，纯生物质最高78.20%），其中HDPE因高氢含量表现出最佳协同效应。该成果为设计低能耗、低排放的工业级塑料处理装置提供了关键数据支撑，特别在优化进料系统方面具有直接工程价值。

Declaration of Generative AI
作者声明使用ChatGPT辅助语法修正，但所有数据与结论均经过人工核验。这项由Ashish Bhattarai领衔的研究，通过实验与模拟的深度融合，为破解"白色污染"能源化难题开辟了新路径。